短时间焊后热处理对S32101双相不锈钢板激光焊焊缝组织和性能的影响

王保军,白 露,陈 龙,2,沈鑫珺

(1.苏州大学沙钢钢铁学院,苏州 215131;2.西南林业大学机械与交通学院,昆明 650000)

0 引 言

为实现“碳达峰”和“碳中和”,同时满足生产和生活对能源的需求,核能作为一种高效率的清洁能源逐渐受到重视。鉴于核能可能出现的高危险性,核电设备所用材料的性能要求极高。节镍型S32101双相不锈钢具有良好的力学性能和耐腐蚀性能,相较于传统的316L、2205等不锈钢,其镍元素含量少,生产成本低[1-2],在第三代核电站的建设中得到广泛应用。

焊接是材料在各种工程应用中不可或缺的加工工艺,其中激光焊具有自动化程度高和效率高等优点,在工程制造领域中应用广泛。但激光焊的能量输入低、冷却速率快,铁素体向奥氏体转变不充分,导致焊缝中奥氏体含量偏低[3-4],铁素体与奥氏体相比例失衡,且会析出Cr2N 有害相,严重影响焊接接头的耐腐蚀性能[5]。

焊后热处理是提高双相不锈钢焊缝中奥氏体含量并消除有害析出相的有效方法[6-7]。YANG 等[8]研究发现,厚度为1.5 mm 的UNS S31803双相不锈钢板激光焊焊缝经1 080℃热处理3 min后,耐点蚀性能得到改善。王维东等[9]研究发现,厚度为3 mm 的2205双相不锈钢板激光焊焊缝经1 050℃热处理5 min后,可获得合适的铁素体与奥氏体相比例。但已有研究中焊后热处理时间过长,通常大于10 min,甚至达到2 h,不利于生产效率的提高和成本的降低。张志强等[10]研究认为,双相不锈钢焊缝经短时间热处理后可以满足奥氏体体积分数大于30%的使用要求。但目前有关中厚双相不锈钢板激光焊接头的短时间焊后热处理的研究还较少。因此,作者以厚度为6.5 mm 的S32101双相不锈钢板为研究对象,对其进行激光对接焊,并对焊接接头进行不同温度和保温时间下的短时间热处理,研究了焊后热处理温度和保温时间对焊缝显微组织和性能的影响,拟为短时间焊后热处理的工程应用提供数据支撑。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验材料为固溶态S32101双相不锈钢板,厚度为6.5 mm,由太原钢铁集团提供,其化学成分(质量分数/%)为0.02C,21.64Cr,1.42Ni,0.19N,0.52Si,5.21Mn,0.13Cu,0.16Mo,余Fe。在不锈钢板上取尺寸为160 mm×75 mm×6.5 mm 的待焊试样,长边方向平行于轧件的横向(TD),短边方向平行于轧制方向(RD),对其待焊面进行打磨和清洗。使用如图1(图中ND为轧制面法向)所示的激光焊接平台进行激光对接焊,不开坡口,焊接功率为3 kW,焊接速度为50 cm·min-1,离焦量为-2 mm,纯氩气保护,焊接方向沿待焊试样长边方向(平行于TD)。焊接完成后,以焊缝为中心垂直焊接方向取尺寸为10 mm×8 mm×6.5 mm的待热处理试样。

图1 激光焊接平台示意Fig.1 Schematic of laser welding platform

使用JMatPro软件计算S32101双相不锈钢相图,可知当温度为800～1 100℃时,不锈钢中奥氏体体积分数较高。使用COMSOL有限元分析软件计算升温时间,材料相关参数由文献[11-12]得到。根据相图和计算结果制定焊后热处理工艺如下:使用KSL-1200型马弗炉将待热处理试样分别加热至800,900,950,1 000,1 025,1 050,1 075,1 100℃,升至对应温度的时间分别为167,141,129,127,122,129,114,108 s,保温时间分别为0,30,60,180 s,水淬至室温。

1.2 试验方法

热处理前后的接头试样经研磨、抛光,用BeharaⅡ腐蚀液(100 mL H2O+20 mL HCl+1 g K2S2O5)腐蚀约25 s后,使用MR3000型光学显微镜观察焊缝区显微组织,使用Image-Pro Plus软件统计焊缝中各相含量。使用MH-500型维氏硬度计对焊缝和母材进行硬度测试,载荷为4.9 N,保载时间为10 s,每隔100μm 测1个点,分别测18,17个点取平均值。由于激光焊热影响区极小,因此未对热影响区进行硬度测试。使用VersaSTAT 3F型电化学系统进行电化学试验,采用三电极体系,参比电极为甘汞电极,辅助电极为铂电极,工作电极为接头试样,试验介质为质量分数3.5%的NaCl溶液,电压在-1.5～1.5 V,扫描速率为1 m V·s-1。

2 试验结果与讨论

2.1 对显微组织的影响

由图2可见,焊态焊缝的显微组织以铁素体为主,奥氏体体积分数约为16.32%。这是因为激光焊能量输入较低且冷却速率较快,铁素体向奥氏体转变不充分。焊缝中少量的奥氏体主要以晶界奥氏体(GBA)的形式存在,这是因为晶界处具有更高的自由能,有利于奥氏体的优先形核[13]。

图2 焊态焊缝的显微组织Fig.2 Microstructure of as-welded weld

图3中亮白色相为奥氏体相,暗灰色相为铁素体相。由图3可见,与焊态焊缝相比,不同条件热处理后的焊缝中均形成了魏氏奥氏体(MA)。当热处理温度升高到1 000℃及以上时,焊缝中除了存在晶界奥氏体外,还出现了晶内奥氏体(IGA)。当温度由950℃升高至1 050℃时,魏氏奥氏体长大粗化,同时晶内奥氏体持续析出[14],奥氏体数量增多;当温度继续升高至1 100℃时,部分魏氏奥氏体转变成铁素体。在同一热处理温度下,随着保温时间的延长,焊缝中的晶界奥氏体、晶内奥氏体和魏氏奥氏体均发生长大。

图3 不同焊后热处理工艺下焊缝的显微组织Fig.3 Microstructure of weld under different post-weld heat treatment processes

由图4可见,不同条件热处理后焊缝中的奥氏体含量均高于焊态焊缝。这是因为焊态焊缝中奥氏体体积分数远低于平衡态,热处理会促进铁素体向奥氏体的转变;此外,当热处理温度超过903℃时,焊缝中的Cr2N 相会快速重溶,促进奥氏体的形成[15]。随热处理温度升高,焊缝中奥氏体体积分数整体上呈现增大后减小的变化趋势,当热处理温度在1 075℃时达到最大。随着温度的升高,奥氏体长大并且形成新生奥氏体,奥氏体体积分数增加,而当温度过高时,部分魏氏奥氏体发生分解,导致奥氏体体积分数减小。随着保温时间的延长,焊缝中奥氏体体积分数整体呈增大的变化趋势,当热处理温度为950℃时,保温时间对焊缝中奥氏体体积分数影响最为显著。这是因为在此温度下延长保温时间后,魏氏奥氏体发生明显生长。焊缝在1 000～1 100℃下保温0～180 s后,均可获得超过30%的奥氏体组织,满足双相不锈钢对相比例的要求[10]。

图4 不同焊后热处理工艺下焊缝中奥氏体体积分数Fig.4 Austenite volume fraction of weld under different post-weld heat treatment processes

2.2 对显微硬度的影响

未焊后热处理时,焊缝和母材的平均显微硬度分别为253.4,243.4 HV,焊缝的平均显微硬度高于母材。这是因为一方面焊态焊缝的显微组织以铁素体为主,且铁素体的硬度高于奥氏体[16];另一方面焊接过程中杂质的掺入也会导致焊态焊缝硬度增加[8]。由表1可见,不同焊后热处理工艺下焊缝的显微硬度均低于焊态焊缝,且与母材相近。这是因为热处理后焊缝中形成了更多的奥氏体,导致了硬度下降。

表1 不同焊后热处理工艺下焊缝和母材的平均显微硬度Table 1 Average microhardness of weld and base metal under different post-weld heat treatment processes

2.3 对耐腐蚀性能的影响

由前文可知,当热处理温度为1 075℃时,焊缝中奥氏体体积分数最高,有望获得最为优异的耐腐蚀性能,因此取1 075℃下焊缝的极化曲线进行分析。由图5可见:在1 075℃以及保温时间为0条件下,焊缝的自腐蚀电位为-498 m V,与焊态焊缝的-494 m V 相近,说明二者的腐蚀倾向相近;延长保温时间至180 s时,焊缝的自腐蚀电位提高至-203 m V,腐蚀倾向降低。这可能是因为由热处理产生的二次奥氏体(γ2)是通过不稳定的铁素体转变而来,相较于焊接过程中形成的一次奥氏体,二次奥氏体中铬、钼、氮等元素含量较低,因此容易发生腐蚀;随着保温时间的延长,铬、钼、氮元素充分扩散至二次奥氏体中,因此耐腐蚀性能提高[17-18]。

图5 焊态和1 075℃保温不同时间下焊缝的极化曲线Fig.5 Polarization curves of weld at as-welded condition and treated at 1 075℃for different time

3 结 论

(1)S32101双相不锈钢激光焊焊缝中奥氏体体积分数随热处理温度的升高整体上呈先增大后减小的趋势,随保温时间的延长整体上呈增大的趋势;在1 000～1 100℃下保温0～180 s后焊缝中的奥氏体体积分数均超过30%,当热处理温度为1 075℃时焊缝中奥氏体体积分数最高。

(2) 不同条件热处理后焊缝的平均显微硬度低于焊态焊缝,且与母材相近。

(3) 在热处理温度为1 075℃下,当保温时间为0时,焊缝的自腐蚀电位与焊态焊缝相近;当保温时间延长至180 s时,自腐蚀电位提高,腐蚀倾向降低。